浅谈变频器对变频电机的驱动控制

浅谈变频器对变频电机的驱动控制

变频驱动技术具有节能降耗、安全可靠、设计简单等优点，广泛用于电机的驱动控制中。本文详细的介绍了变频技术的工作原理、系统结构等，并深入的探讨了变频驱动技术在电机控制中的应用。针对变频驱动控制系统与电机最佳匹配问题，提出从驱动电源和电机本身的结构出发，解决变频器输出电压含有高次谐波的问题。

标签：变频器；电机驱动；控制技术

1 引言

随着电力电子、计算机和自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术逐渐成为工业控制的重要内容。目前，电气传动技术正面临着一场革命，即交流调速取代直流调速，以计算机为基础的数字技术取代模拟技术。交流变频驱动控制技术以其节能降耗、可靠性高、设计简单、便于应用等优点成为目前电机驱动控制的主要发展趋势[1]。变频技术实现了交流电机的无级调速，克服了传统直流调速技术体积大、故障率高的缺陷，成为目前发展最为迅速的技术之一。交流变频驱动技术主要是针对三相电路的一种电机控制技术，钟玉林为了降低逆变器的共模电压和共模干扰，采用特定谐波消除脉宽调制技术，从源头上消除了变频器输出共模电压中的低频分量[2]。变频器根据其变换的环节可以分为：交—直—交变频器和交-交变频器。

2 变频电机调速系统

2.1 变频电机调速系统原理

变频器调速系统的整个电路包括整流电路、滤波电路、制动电路和逆变电路等几个部分组成，其输出电压的波形为脉冲方波，含有的大量的高次谐波成分多。电压和频率必须按照一定的比例同时变化，无法实现分别调整，因此不能作为供电电源使用。采用变频调速系统驱动电机时可以实现无级调速，其结构图如图1所示。

2.1.1 整流电路：整流电路一般采用三相不可控桥式整流电路实现，VD1-VD6组成三相不可控整流桥。将三相交流电转化成直流电形式。

2.1.2 滤波电路：整流后的电压含有大量的高次谐波，需要采用滤波电路进行处理。滤波电容除了滤除高次谐波外，还起到消除整流电路与逆变电路之间的耦合，消除干扰，提高功率因数的作用。在接入电源时，由于电容两端的电压为零，因而上电瞬间滤波器电容充电电流很大，容易损坏整流桥的二极管。因此，需要在上电的瞬间将电阻Rs串联接入直流母线中以限制充电电流，当充电到一定程度时闭合开关将电阻Rs短路。

2.1.3 制动电路：电机在减速时，转子的转速将可能超过此时的同步转速而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线滤波电容两端产生泵升电压，使变频器产生过压，甚至可能损坏变频器。制动电路就是用来消除这部分反馈能量，防止泵升电压的模块。

2.1.4 逆变电路：逆变管V1-V6组成三相桥式整流电路将直流电逆变成频率和幅值都可调的交流电。逆变模块的IGBT开关控制信号常采用脉宽调制技术（PulseWidthModulation-PWM）实现。

逆变调速系统具有两种控制方式：开环控制和闭环反馈控制。开环控制方式主要用于对转速偏差要求不高的场合，即转速的精確度不是调节的重要变量[3]。开环控制就是给定变频器一个频率信号，变频器根据这个频率信号对电动机输出相应的功率，实现电机的控制。电机的转速由给定功率决定，其转速与给定转度具有一定的误差，开环控制方式无法对这个偏差进行调整，因此在对转速精度要求较高的场所，开环控制方式并不适用。闭环反馈控制方式是在开环控制的基础上加入了反馈环节，根据实际控制误差调节控制量，达到系统输出精确跟踪期望值的目的。闭环反馈控制系统一般会再电动机上安装转速传感器，并将测得的转速信号反馈给输入端，与参考值做差计算控制误差。变频器依据实际的转速偏差进行调整，直到电机转速与给定转速偏差降低到允许范围内。

2.2 变频器控制技术

2.2.1 电压矢量控制。电压矢量控制是将异步电机三相坐标系下的定子电流进行同步直角坐标变换，其变换矩阵如式（1）和（2）所示。先将三相对称坐标系下的电流矢量Ia、Ib、Ic转化为两相静止坐标系下电流矢量I？琢和I？茁，再将两相静止坐标系下电流分量转换到同步直角坐标系下电流分量Id和Iq。Id是直流电机的励磁电流，Iq相当于正比于转矩的电枢电流。模仿直流电机的控制方法，求得直流电机控制量，再经过坐标逆变换求得异步电动机的实际控制量。该控制方法采用直流电机的控制方式，分别对转速和磁场两个分量进行单独控制。经过坐标变换实现了转矩和磁场的解耦控制，该方法的提出具有跨时代的意义。在实际的应用中，由于系统性能收到电机参数的影响，且矢量旋转的变换比较复杂，使得控制效果难以达到理想的状态。

2.2.2 直接转矩控制。直接转矩控制技术是1985年由鲁尔大学的DePenbrock 首次提出的。该技术能够有效的解决上述矢量控制中存在的不足，并具有结构简单、动静态特性好的优点。经过不断的发展完善，该技术已经在大功率电力机车牵引交流传动中得到了应用。直接转矩控制在定子坐标下建立交流电机数学模型，无需将交流电机进行等效处理，省去了矢量变换的复杂计算，因此具有广阔的发展前景。

2.2.3 矩阵式交-交控制。矩阵式交-交控制不同于以上两种方式，它克服了交-直-交变频控制输入功率因数低，谐波电流大，储能电容要求高的缺陷，还可以实现再生能源向电网的反馈。此外，这种控制方法还省去了中间直流环节，因此大大的降低了成本。该方法不是通过间接控制电流、磁链量等方法实现电机驱

动，而是直接控制转矩，因此具有较高的启动转矩和精确的转矩控制精度。当电机处于启动阶段时，输出的转矩能够达到150%-200%，这大大的提高了电机的响应速度。

2.3 变频调速方式的技术优势

采用变频调速系统实现电机控制具有以下技术优势：

2.3.1 实现了无级调速，调速性能好。由于变频电机采用的变频调速技术原理上可以输出任何转速，因此调速时平滑性好、精度高。当电机转速处于低速启动阶段时，输出转矩较大，这大大缩短了电机的响应时间，提升了电机的启动效率。2.3.2 启动时需要的电流较小，对电网无冲击，节能效果显著。直流电机启动电流较大，常常会对电网造成冲击，而且对电网的容量要求也较高。电机启动时产生的大电流和抖振对电机硬件部分危害很大，极大的降低了设备的使用寿命。采用变频调速方式可以实现软启动，电流从零开始，最大值也不会超过额定值。这不仅消除了对电网的冲击，而且降低了系统对电网容量的要求，延长了设备的使用寿命，降低了硬件维护费用。

2.3.3 变频电机的体积小，安装、调试、维护简单。异步电机尤其是鼠笼式电机具有结构简单、成本低、使用和维护方便、运行可靠性高等优点，因此应用较为广泛。

2.3.4 易于实现自动化控制。由于变频控制技术实现了电机的解耦控制，PLC、单片机、DSP等先进的数字控制技术能够得到有效的利用。

2.3.5 节能效果好。各种生产机械在设计时，其驱动能力都会留有一定的富余量。当电机处于低负载运行状态时，多余的扭矩增加了有功功率的消耗，导致电能的浪费。采用变频调速技术以后，如果转矩要求减小，其输出功率就会相应减小，这大大的提高了电能的利用率，防止能源的浪费。

2.3.6 降低了无功损耗，提高了电能使用率。电网中的无功功率不但会增加设备和线路的附加损耗，而且会引起设备过热，严重时可能引发火灾。变频调速装置中的滤波电路能够有效的滤除电网中的无功功率，提高电机的运行效率，防止设备过热。

3 电机变频驱动存在的问题及解决措施

目前，导数变频电机仍然采用普通的异步电机作为替代品。然而普通的异步电机设计从恒频、恒压的公共电网中获取能源，这将会导致变频电机与所设计的变频驱动电路不适配的问题，其主要表现在系统产生脉动转矩，电机损耗增大，产生高频噪声等。

产生这些问题的原因有[4]：（1）变频器一般采用脉宽调制技术，其输出电压中含有部分高次谐波电流，因此，逆变器输出的电能无法适应普通交流电机的